Aula08BioqII_Metabolismo de Lipídeos

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Aula de Bioquímica II
Tema:
Metabolismo de Lipídeos
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br
Lipídeos
Biomoléculas insolúveis em água;
Quarto principal grupo de biomoléculas;
Grande diversidade química e estrutural;
Não são poliméricos, mas podem formar agregados.
Várias funções  3 principais:
Papel estrutural: principal constituinte membranas biológicas
Armazenamento de energia: metabolismo energético
Fornece 80% da energia para o coração e fígado
Sinalização inter- e intracelular
Vitaminas e hormônios
Lipídeos
 Substâncias de origem biológica (do grego lipos, gordura);
 Não poliméricos, mas podem se agregar;
Importância no Metabolismo energético 
 ~ 2 x mais energia do que o mesmo peso seco de 
glicose ou aminoácidos.
 Principal reserva energética metabólica a longo 
prazo.
 Inércia química e baixa osmolaridade
 Balanço energético da célula 
 Demanda de energia  Degradação -
Catabolismo 
 Excesso de energia  Síntese - Anabolismo
 Envolvem reações de oxido-redução
 Diferem na direção e enzimas, localização 
celular, doador/aceptor de elétrons
Adipócitos: especializados na síntese e 
armazenamento de triacilgliceróis;
Tecido adiposo: 
 Abundante na camada 
subcutânea e cavidade 
abdominal;
 Pode suprir a necessidade 
energética por alguns meses;
 Isolamento térmico
Estratégia geral do catabolismo de ácidos graxos
 Degradação por remoção sequencial de unidades de 2 carbonos
Experimento de Franz Knoop (1904)
- Marcação de ácidos graxos no último carbono com ácido benzoico
Hipótese da β-oxidação 
Clivagem entre o carbono
α e β
1º Etapa: β-oxidação
- 4 reações enzimáticas  remoção sequencial de Acetil-CoA
- Local: Matriz mitocondrial
Oxidação de ácidos graxos  3 Etapas
A mobilização de ácidos Graxos
- Ação hormonal mobilizam ácidos graxos dos ADIPÓCITOS para o catabolismo
Adrenalina ou Glucagon
Formação de FFA
“Free Fatty acids”
1) Resposta a hormônios
2) Via cAMP  PKA
3) PKA fosforila e ativa a lipase 
sensível a hormônios (HSL)
4) Fosforilação da Perilipina
5) Liberação da CGI, que se 
associa e ativa a lipase ATGL 
(adipose triacilglicerol lipase)
7) A Pi-HSL interage com a 
gotícula via Pi-perilipina
6) e 8) Ação conjunta da ATGL
e Pi-HSL libera ácidos graxos 
no citoplasma
9) Os FFA atingem a corrente 
sanguínea e interage com a 
albumina sérica na razão de 
10:1 
Catabolismo de Triacilgliceróis
 Hidrólise da ligação éster entre o ácido graxo e glicerol
Triacilglicerol
Lipases
Glicerol
Ácidos graxos
Ácidos graxos livres  corrente sanguínea – Albumina  músculo, coração e fígado
 Taxa de hidrólise de triacilglicerídeos regula o catabolismo de ácidos graxos
 95% da energia de um triacilglicerol reside nos ácidos graxos
 ~5% no glicerol
A ativação de Ácidos Graxos cadeia longa
1º etapa para o transporte para a mitocôndria
 Reação de acilação de ácidos graxos C >12 é dependente de ATP
 Catalisada pelas Acil-CoA-sintetases – Tiocinases  isoenzima citosólica
 Reação em duas etapas:
1) 1o ataque nucleofílico
 Formação do anidrido misto 
Acil adenilato  Saída de 
Pirofosfato
2) 2o Ataque nucleofílico do 
grupo sulfidril da CoA
 Reação reversível
 Pirofosfatase inorgânica dirige 
a termodinâmica da etapa 
Irreversível
 Duas ligações Pi de “alta 
energia” são consumidas
A β-oxidação ocorre na mitocôndria!
 Transporte do Acil-CoA C > 12 pela membrana mitocondrial interna
 Ácidos graxos com C ≤ 12 tem livre trânsito na MMI
- Transferência via Carnitina
- Catalisada pelas isoenzimas Carnitina-palmitoil-transferases
- A reação ocorre próxima ao equilíbrio 
 Ligações de energia livre de hidrólise similar
- Mantém o balanço de CoA citosólica e mitocondrial
- Transporte do ácido graxo para mitocôndria é ponto de regulação
A β-oxidação ocorre na mitocôndria!
 Uma translocase transporta a Acil-carnitina pela membrana mitocondrial interna
 Proteína carreadora de carnitina
Carnitina-palmitoil-transferase I
 Ponto de controle por inibição
- Malonil-CoA
Carnitina-palmitoil-transferase II
 Transporte passivo
- Segue o gradiente de concentração
A estratégia da β-oxidação!
 4 reações enzimáticas sequenciais = remoção de Acetil-CoA
1o  Oxidação
3o  Oxidação
2o  Hidratação
4o  Clivagem
Ciclos adicionais
Total: 7 Acetil-CoA
 2 complexos multienzimáticos
trifuncionais CANALIZAM os 
substratos pela via reacional
 Cadeias com 12 ≥ C  face interna 
da MMI
 Cadeias com 12 ≤ C  matriz 
mitocondrial
Repetição da mesma estratégia!
Outras vias usam a mesma estratégia de oxidação
- Desestabilizar sequencialmente a ligação C—C e depois quebrar
A rota da β-oxidação!
 4 Isoenzimas acil-CoA-Desidrogenase  todas com FAD como coenzima
- Diferentes enzimas para tamanho de ácidos graxos diferentes
- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias muito longas: Ácidos graxos com 12-18 C
- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias longas: Ácidos graxos com 10-16 C
- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias médias: Ácidos graxos com 6-10 C
- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias curtas: Ácidos graxos com 4-6 C
 Todas estão ligadas à cadeia de transporte de elétrons
- Transferência direta de e’ pela Flavoproteína de transferência de elétrons – FTE
Sem fluxo de H+ pela MMI!
A rota da β-oxidação!
 A reação da Tiolase – Clivagem entre o Cα – Cβ
 Libera um Acetil-CoA e um Acil-CoA com 2 carbonos a menos
Mecanismo da reação
1  Ataque nucleofílico de um Tiol ativado 
da enzima
2  Quebra da ligação com formação de um 
intermediário carbânion estabilizado por 
ressonância e um intermediário enzima-
tioéster
3  Carbânion capta um próton da enzima e 
sai um Acetil-CoA e um intermediário 
enzima-tioéster
A rota da β-oxidação
 A reação da Tiolase – Clivagem entre o Cα – Cβ
 Libera um Acetil-CoA e um Acil-CoA com 2 carbonos a menos
Mecanismo da reação
4  Ataque nucleofílico de um Tiol da CoA
livre e protonação de um grupo básico na 
enzima
5  Reorganização eletrônica e liberação 
da Acil-CoA encurtada em 2 carbonos
Termodinâmica da Degradação do palmitato
Palmitato  Ácido graxo de 16 carbonos
A degradação completa de 1 mol de Palmitato (C16) após 7 ciclos na β-oxidação rende:
 8 mols de Acetil-CoA
 7 mols NADH
 7 mols FADH2
 A oxidação completa destas moléculas no Ciclo de Krebs e Cadeia Transportadora de 
Elétrons rende
Termodinâmica da Degradação do Palmitato!
 A degradação de 8 mols de Acetil-
CoA no ciclo do ácido cítrico rende:
 8 mols GTP = 8 mols ATP
 24 mols NADH
 8 mols FADH2
 Somando ao rendimento na β-
oxidação:
 8 mols ATP
 31 mols NADH
 15 mols FADH2
 Na cadeia transportadora de elétrons 
e fosforilação oxidativa: 
 1 mol NADH = 2,5 mol ATP
 1 mol FADH2 = 1,5 mol ATP
 Rendimento Total:
8 mols ATP +
31 mols NADH x 2,5  77,5 mols ATP + 
15 mols FADH2 x 1,5  22,5 mols ATP =
108 mols ATP
 Duas ligações fosfato foram consumidas na Ativação do palmitato!
 RENDIMENTO final = 106 mols ATP x 30,5 kJ/mol = 3230 kJ/mol
 33% do valor teórico em condições padrão
 ~60% da energia em condições fisiológicas
Aproximadamente 3,5 vezes ao rendimento da oxidação da glicose
 1 mol de Glicose = 30-32 mols ATP
NADH + H+ + ½ O2  NAD+ + 1 H2O
FADH2 + ½ O2  FAD + 1 H2O
H2O 
metabólica
Oxidação de ácidos graxos insaturados
 Existem dois tipos de “problemas” para a β-oxidação
Problema 1:
Ligação dupla cis ∆3
Oxidação de ácidos graxos insaturados
 Os problemas são contornados por enzimas adicionais
Problema 2: 
Ligação dupla cis ∆4
 Não ésubstrato para a β-oxidação
 A ligação cis ∆4 inibe a Enoil-CoA hidratase
que atua somente em substratos trans
Oxidação de ácidos graxos de cadeia impar
 Intermediário 
do ciclo do ácido 
cítrico
 Produto da oxidação da 
Met, Val e Ile
 Reação radicalar incomum 
dependente de Cobalamina = 
Vitamina B12
- Comuns em plantas  dieta de mamíferos
 Produto final do último ciclo da β-oxidação é 
Acetil-CoA e Proprionil-CoA
Regulação da oxidação de ácidos graxos
- Estritamente regulada
 A entrada na mitocôndria determina o destino do ácido graxo 
- Mitocôndria  β-oxidação
- Citoplasma  Conversão em triacilglicerídeos
 Principal ponto de regulação  Carnitina-acil-transferase I
Inibição por Malonil-CoA  sinaliza disponibilidade de Acetil-CoA via Glicólise
Razão alta 
NADH/NAD+ inibe a 
β-hidroxiacil-CoA-
desidrogenase
Regulação da oxidação de ácidos graxos
 Glucacon dispara a fosforilação, via PKA e AMPK, da Acetil-CoA-carboxilase (ACC)
= inibição da síntese de malonil-CoA no citoplasma
 Glucacon ativa fator de transcrição CREB no músculo, fígado e tecido adiposo
 Fatores de transcrição PPARα ativam a síntese 
- Síntese de proteínas envolvidas na β-oxidação ativada, incluindo a Carnitina-acil
transferase I e II
Outros sítios de oxidação de ácidos graxos
Peroxissomos/glioxissomos  organela especializada em oxidar ácidos graxos
Animais e vegetais
Diferencia da via mitocondrial 
em 3 aspectos principais
1) Ácidos graxos de cadeia > 
20 C
2) 1º passo oxidativo  Acil-
CoA oxidade  geração de 
H2O2 a partir de FADH2 e O2
- Não é gera ATP
- Catalase consome o H2O2
3) 2º passo oxidativo  NADH 
deve ser exportado para ser 
reoxidado
 Acetil-CoA formada é 
exportada
Em vegetais: glioxissomos
 Ciclo do glioxilato
permite uso de Acetil-CoA
como percussor 
Biosintético na 
germinação
A ω-oxidação
 Ácidos graxos de 10-12C são oxidados em ambas as extremidades no retículo 
endoplasmático
- Fígado e rins 
- Via minoritária em mamíferos  importante se a β-oxidação tem falhas
 Envolve a oxidação do C ω usando O2  oxidase de função mista
 Conta com a participação da álcool desidrogenase e aldeído desidrogenase
 Oxidação em terminação 
dupla
 Gera ácidos 
dicarboxilicos = succinato
 Entra diretamente no 
ciclo de Krebs 
Formação de Corpos cetônicos
 Ácidos graxos são os combustíveis no estado de jejum
 A cetogênese ocorre no fígado durante a gliconeogênese
No hepatócito
 Acetil-CoA sofre conversão em “corpos 
cetônicos” solúveis para transporte para outros 
tecidos
- Permite depleção de oxaloacetato para a 
gliconeogênese
Formação de Corpos cetônicos
 Acetil-CoA é convertida em acetoacetato, D-β-
hidroxibutirato e acetona
1) 1o Condensação de 2 Acetil-CoA  Tiolase
2) 2o Condensação de + 1 Acetil-CoA  HMG-CoA-sintase
3) Clivagem de 1 Acetil-CoA  HMG-CoA-liase
 Destinos do acetoacetato
1) Redução a D-β-hidroxibutirato
2) Descaboxilação espontânea para acetona
Metabolismo de Corpos Cetônicos
 Os corpos cetônicos são transportados, 
via sanguínea, para os tecidos periféricos 
na forma solúvel.
- A CoA está no fígado em quantidade 
limitada, a exportação de corpos cetônicos
libera CoA para oxidação contínua de ácidos 
graxos
 Nos tecidos periféricos ocorre a 
conversão metabólica de corpos cetônicos
em Acetil-CoA
1) Oxidação do D-β-hidroxibutirato
2) Succinil-CoA doa o CoA para o 
Acetoacetato
3) Clivavem do Acetoacetil CoA pela tiolase
β-oxidação versus biossíntese de ácidos graxos
Apresentam 4 etapas básicas  não é a simples reversão da β-oxidação
β-oxidação  Clivagem de unidades de 2 carbonos
Biossíntese  Condensação de unidades de 2 carbonos
ACP = Proteína Carreadora de Acila
Oxidação
Oxidação
Hidratação Desidratação
Redução
Redução
CondensaçãoClivagem
A Ativação do Acetil-CoA
 Carboxilação da Acetil-CoA  Malonil-CoA
- Carreador de Acetil-CoA ativado para incorporação no AG 
crescente
 Acetil-CoA-Carboxilase - ACC
- Mecanismo similar da piruvato-carboxilase
- Proteína multifuncional
1) Proteína carreadora de Biotina
- Biotina, ligada ao Cε de uma Lys, como grupo prostético
= Transportador de CO2 ativado
- Permite visitar os diferentes sítios reacionais
2) Biotina carboxilase
- Requer 1 ATP como fonte de energia para ativar a biotina
3) Transcarboxilase
Transfere o CO2 da Biotina para o Acetil-CoA
- Sítio de controle hormonal e alostérico
- Inibida Fosforilação via AMPc  Glucagon, epinefrina e 
norepinefrina
- Ativada por fosfatases dependentes de Insulina
 Malonil-CoA inibe a Carnitina palmitoil transferase I
Proteína carreadora de acila = ACP
Acyl carrier protein
- Proteína de 10 kDa
- Grupo fosforil da fosfopanteteína é 
esterificada a uma Ser
- Ancora o ácido graxo crescente para a reação 
com o Malonil-CoA
Síntese sequencial de AG
Ácido Graxo Sintase I (AGS I)  vertebrados e fungos
Polipeptídeo multifuncional 240 kDa  é um homodímero
 7 domínios funcionais  canalização dos substratos ligados covalentemente 
 6 atividades catalíticas (Tioesterase não é mostrada)
Síntese sequencial de AG
- Em mamíferos 
- Adição sequencial de unidades de C2
 Iniciação
Carregamento da ACP com malonil e da KS 
com Acetil
 Ciclos de Elongação
1) Condensação 
2) Redução 
3) Desidratação 
4) Redução 
5) Translocação 
6) Entrada de Malonil
 Terminação  Palmitoil-tioesterase
7 vezes
Síntese sequencial de AG
Ácido Graxo Sintase I
 Ciclos de Elongação
1) Condensação  β-cetoacil-ACP-sintase
2) 1º redução  β-cetoacil-ACP-reductase
3) Desidratação  β-cetoacil-ACP-
desidratase
4) 2º redução  Enoil-ACP- redutase
5) Translocação  malonil/acetil-CoA-ACP-
transferase
6) Entrada de Malonil  malonil/acetil-CoA-
ACP-transferase
 Iniciação
Carregamento da ACP com malonil
e da KS com Acetil
Síntese sequencial de AG!
Balanço energético para a síntese de palmitoil.
Custo da ativação: 
7 Acetil-CoA + 7 CO2 + 7 ATP  7 Malonil-CoA + 7 ADP + 7 Pi
7 Ciclos de condensação, desidratação e dupla redução:
1 Acetil-CoA + 7 Malonil-CoA + 14 NADPH + 14 H+  1 Palmitoil + 7 CO2 + 8 CoA + 14 NADP+ + 6 H2O
Balanço global
8 Acetil-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+  1 Palmitoil + 8 CoA + 7ADP + 7 Pi + 14 NADP+ + 6 H2O
Potencial redutor
Energia Química para 
ativação do Malonil-CoA
A Biossíntese de AG ocorre no citoplasma
1) Presença de todas as enzimas
2) Alta razão NADPH/NADP+  75 em hepatócitos  via pentose-fosfato e enzima málica
- NADH/NAD+  0,0008  permite glicólise ocorrer concomitantemente
A Biossíntese de AG ocorre no citosol!
 Piruvato sofre descarboxilação
oxidativa na mitocôndria
- Ação da piruvato-desidrogenase
 Transporte do acetil-CoA da 
mitocôndria para o Citosol
Via Sistema de transporte de 
tricarboxílico: Citrato:Malato
- Transfere unidades Acetil- da 
mitocôndria para o citoplasma
- Sistema pode transferir força redutora 
da mitocôndria para o citoplasma
Regulação da Biossíntese de ácidos graxos
 Citrato  sinaliza combustível disponível na mitocôndria  ativador alostérico da 
Acetil-CoA-carboxilase (ACC) 
- Inibe a fosfofrutoquinase I na via glicolítica
 Palmitoil, produto final da biossíntese, inibe a ACC
 Insulina ativa fosfatase que desfosforila a ACC ativando-a  formação de malonil-CoA
= inibição da Carnitina-acil-transferase I
 Glucacon dispara a fosforilação, via PKA e AMPK, da ACC
= inibição da síntese de malonil-CoA no citoplasma
Os destinos do Palmitoil
 Precursor para a biossíntese de outros AG
- estearato
- Sistema de alongamento de ácidos graxos
- Envolve enzimas específicas do RE
- Acetil-CoA na forma de Malonil-CoAInsaturações
Palmitato e estearato são precursores para os 
equivalentes monoinsaturados
Poli-insaturações  plantas e bactérias
- AG essenciais
- Precursores dos eicosanoides
Biossíntese de triacilglicerois
 Um indivíduo de 70 kg tem 15 kg de gordura
- Suficiente para 12 semanas de vida
- Toda a energia sobressalente disponível em glicídios e proteínas 
é armazenada na forma de triacilglicerídeos
Controle hormonal